高應力三軟煤層小煤柱沿空掘巷強化支護探索

陳泉建 楊 棟

（平頂山天安煤業(yè)股份有限公司六礦，河南省平頂山市，467000）

高應力三軟煤層小煤柱沿空掘巷強化支護探索

陳泉建 楊 棟

（平頂山天安煤業(yè)股份有限公司六礦，河南省平頂山市，467000）

針對高應力三軟煤層小煤柱沿空掘巷底臌和兩幫收斂變形的難題，平煤股份六礦根據(jù)沿空掘巷工作面的地質(zhì)條件，按照 “強頂固幫、控制底腳”的支護理念，通過強化頂板及小煤柱支護，加大底板支護控制，使巷道兩幫收斂變形及底臌量得到了很好的控制。

小煤柱 沿空掘巷 強頂固幫 底臌治理

1 工程概況

平煤股份六礦丁5.6-21110風巷位于二水平丁一采區(qū)下部東翼，巷道沿丁5.6煤層頂板施工，丁5.6煤層厚度為1.7～3.4 m，煤層傾角8°～13°，巷道標高-512～-539.9 m，垂深在780～810 m之間，煤層為松軟突出煤層，煤層普氏系數(shù)為0.5～0.8，煤層頂?shù)装鍘r性均為泥巖或砂質(zhì)泥巖，普氏系數(shù)為0.8～2，抗壓強度5.8～33.2 MPa。丁5.6-21110風巷沿丁5.6-21090采空區(qū)掘進施工，方位與丁5.6-21090機巷方位一致。巷道平面布置見圖1。丁5.6-21110風巷設計走向長1668 m，巷道為梯形斷面，斷面尺寸為5.2 m×3.5 m （寬×高）。有文獻研究了不同寬護巷煤柱沿空掘巷掘采全過程的應力場分布規(guī)律，提出了僅考慮掘巷擾動影響時，沿空掘巷煤柱寬度應大于6 m，當考慮超前采動影響時，合理的護巷煤柱寬度為8 m。由于丁5.6-21110風巷處于煤與瓦斯突出危險區(qū)域，為便于瓦斯治理同時提高回采率，丁5.6-21110風巷與丁5.6-21090采空區(qū)煤柱寬度僅留5 m，煤柱較小，煤柱受采空區(qū)及掘巷擾動影響嚴重，支護難度極大。

原支護方案為頂錨桿使用?22 mm×2400 mm高強錨桿，每排8根，錨桿間排距為700 mm×800 mm，幫錨桿使用?20 mm×2200 mm等強錨桿，上幫5根，下幫4根，錨桿間排距為800 mm×800 mm；頂板每排掛1片3.6 m×1.0 m和1片3.0 m×1.0 m的單層金屬網(wǎng)，上幫掛1片3.6 m×1.0 m單層金屬網(wǎng)，下幫掛1片3.0 m×1.0 m單層金屬網(wǎng)，金屬網(wǎng)選用冷拔鋼絲片網(wǎng)，鋼絲網(wǎng)采用直徑6 mm的冷拔絲制成，網(wǎng)孔規(guī)格50 mm×50 mm。錨索采用?17.8 mm×8000 mm的高強錨索，每排4根，錨索間排距為1400 mm×2400 mm。

巷道在掘進期間兩幫收斂變形量在1.5～2.5 m之間，底臌量在0.8～1.5 m之間，丁5.6-21110風巷工作面在掘進及采面安裝期間常需要多次停工進行巷道擴幫、拉底維修。回采期間仍需超前擴修，擴幫量在1.0～1.5 m，而且至少每3個月拉底一次，累計拉底工程量厚度在1.5 m以上，嚴重制約了煤礦安全生產(chǎn)和采掘工效。

圖1 巷道平面布置圖

2 巷道收斂變形原因

（1）開采煤層屬于典型的高應力三軟煤層。目前平煤股份六礦開采深度在600～860 m，巷道開挖后深部的原巖應力及采掘過后形成新的應力平衡狀態(tài)時的圍巖壓力大，巷道支護困難且容易收縮。同時巷道頂?shù)装逡阅鄮r及砂質(zhì)泥巖為主，易變形，圍巖 （煤）體抗壓強度低，完整性差。

（2）煤巖體松動圈較大。沿空掘巷受相鄰回采工作面采空區(qū)頂板垮落影響，巷道圍巖 （煤）體松動圈大，特別是小煤柱幾乎全部為松動煤體，承壓效果差，易變形。

（3）未對松動范圍的煤 （巖）體采取強有力的支護。小煤柱的支護未受到重視，巷道掘進過程中頂板壓力傳遞到兩幫時，小煤柱承壓效果差，便會出現(xiàn)嚴重的變形現(xiàn)象。另處，巷道掘進過程中未對底板進行支護，等到底板鼓起后再進行拉底，從而造成兩幫圍巖進一步松動變形，最終導致巷道失穩(wěn)。

（4）頂板、巷幫支護強度不足。頂板使用的直徑為17.8 mm的錨索強度低、預應力小，無法滿足高應力巷道支護要求；錨桿間距大，幫頂錨桿的安裝預緊力小，安裝載荷不足。

3 強化支護

3.1 強化支護機理

在控制巷道收斂方面，根據(jù)巷道壓力傳遞和收斂特點，提出了 “治幫必須強頂，治底必須固幫”理念，通過強化頂板支護，增加錨桿安裝預緊力，可以減少頂板作用在兩幫的壓力，改善小煤柱因頂板壓力作用產(chǎn)生的變形。通過固幫改善小煤柱的松動、破碎、整體性差的狀況，使小煤柱處于三向受力狀態(tài)，提高了小煤柱的強度和支撐力，從而降低小煤柱受力后的變形。巷道開挖后，圍巖的塑性區(qū)從應力集中的底角開始，但塑性的發(fā)展是一個過程，在巷道圍巖層暴露后立即打上底角錨桿，及時地提高底角圍巖的強度，減少塑性區(qū)的發(fā)展。同時，巷道兩幫、底角是圍巖應力的集中區(qū)，也是圍巖破碎區(qū)、塑性區(qū)發(fā)育較早的地方，這部分的煤體強度低、自承能力差，兩幫的煤體下沉，導致兩側(cè)底板擠入巷道而引起大量底臌。巷道底角錨桿加固幫角，可以提高煤幫、底角錨固區(qū)圍巖的強度及抵抗圍巖變形的阻力，還可以提高巷道兩幫圍巖的自承能力，從而減少了底臌量。底板錨桿對底板的加固主要起到兩種作用：一是將底板表面的軟弱巖層和深部穩(wěn)定的巖層連接起來，從而抑制了軟弱巖層擴大、膨脹引起的裂隙張開及新裂隙的產(chǎn)生；二是底板表面幾層軟弱的巖層連接起來，組成一個組合梁，起承受彎矩的作用，同時減少了巷道的破碎程度。因此，底板的加固特別是底角的加固對底臌的控制有著十分重要的意義。

3.2 強化支護方案

（1）頂板改用19絲、直徑為21.6 mm的預應力錨索，錨索間排距為1.4 m×2.4 m，預應力由原方案中的200 k N提高到300 k N。錨索盤采用400 mm×400 mm×16 mm （長×寬×高）的軋制鋼板，通過加大錨索盤的受壓面積分散作用在錨索盤上的應力，防止應力集中造成錨索盤損壞或凹陷，減少松散破碎巖石局部掉落影響承載拱的平衡。同時提高頂板錨桿的預緊力，將原方案預緊力提高到500 N·m，進一步提高圍巖的穩(wěn)定性和自身的承載能力，達到強頂?shù)男Ч?/p>

（2）兩幫使用WX280型鋼帶，上幫 （即采空區(qū)側(cè)幫）采用2塊長度為1800 mm的W型鋼帶，孔距700 mm，下幫 （煤體側(cè)幫）使用長度為2600 mm的W型鋼帶1塊，孔距700 mm；加長、加密幫錨桿，幫錨桿長度由原方案的2200 mm加長到2600 mm，間距由800 mm縮小至700 mm，幫錨桿預緊力提高至400 N·m，從而改善小煤柱的松散破碎狀態(tài)，增強小煤柱的整體性和承載能力，起到固幫作用。

（3）增設兩根底角錨桿，切斷來自巷道底角的塑性滑移線，削弱來自巷道兩側(cè)的擠壓應力。底角錨桿采用?20 mm×2600 mm等強左旋全螺紋樹脂錨桿，排距為800 mm，上下幫底角處各施工1根，施工角度與豎直方向成45°，從而有效地控制底臌變形。改進方案與原方案支護參數(shù)對照見表1。

表1 原支護方案與改進方案支護參數(shù)對比

3.3 工藝關鍵點

（1）頂板錨索必須采用兩種型號的樹脂藥卷，錨索錨固端端部采用2卷MSCK2335型樹脂藥卷，錨固端下部采用4卷MSK2335型樹脂藥卷。錨索張拉時采用風動錨索張拉機張拉，張拉預緊力必須達到300 k N以上，以提高頂板整體支護效果。

（2）錨桿預緊必須采用高扭矩的沖擊式風動扳手或者錨桿扭矩放大器，確保頂、幫錨桿安裝預緊力達到要求。兩肩及底角錨桿必須按設計角度打入巖層中。

（3）做好拉拔力和預緊力檢測，對失效的錨桿及時補打加固，遇到地質(zhì)構(gòu)造帶及時調(diào)整錨桿、錨索長度和密度。

4 巷道礦壓監(jiān)測

頂板離層監(jiān)測采用雙高度頂板離層儀，一個孔內(nèi)設2個基點，深度距巷道頂板分別為3.0 m和6.0 m （根據(jù)現(xiàn)場情況可適當調(diào)整），基點設好后要測量初值，巷道每50 m安裝一組。巷道兩幫及底板收斂變形采用十字測點法進行，每50 m設點觀測，測量使用鋼尺讀數(shù)。

通過觀測數(shù)據(jù)表明，在巷道施工后10個月期間，兩幫最大位移量480 mm，平均收縮450 mm；頂板最大下沉量120 mm，平均下沉100 mm；底臌量最大為260 mm，平均240 mm，最終巷道斷面尺寸穩(wěn)定在為4750 mm×3160 mm （寬×高），掘進設計斷面18.2 m2，回采期間斷面15 m2，回采期間的巷道有效斷面不小于掘進設計斷面的80%。實事證明在沒有進行擴幫拉底的情況下，完全滿足了采面搬家、安裝、通風的需要。

5 結(jié)論

強頂固幫控制底角技術(shù)可有效控制高應力三軟煤層小煤柱沿空掘巷收斂變形和底臌，減少巷道的維修量，大大提高采掘工效，為煤礦安全生產(chǎn)和高產(chǎn)高效建設創(chuàng)造有利條件。

該技術(shù)雖然有效地控制了兩幫收斂和底臌，但變形量仍然較大，有待于進一步的實踐探索。

［1］鄭西貴，姚志剛，張農(nóng) .掘采全過程沿空掘巷小煤柱應力分布研究 ［J］.采礦與安全工程學報，2012（7）

［2］何滿潮，謝和平，彭蘇萍等 .深部開采巖體力學研究 ［J］.巖土力學與工程學報，2005（8）

［3］李農(nóng)，侯端明，卞景強 .復合頂板沿空掘巷支護技術(shù)研究與實踐 ［J］.中國煤炭，2011（8）

［4］華心祝，劉淑，劉增輝等 .孤島工作面沿空掘巷礦壓特征研究及工程應用 ［J］.巖土力學與工程學報，2011 （8）

［5］孟超，李學華 .沿空掘巷錨桿支護參數(shù)敏感性分析與應用 ［J］.中國煤炭，2013（3）

［6］劉清濤，孟凡武 .深部綜放工作面小煤柱沿空巷道支護技術(shù) ［J］.煤炭科學技術(shù)，2009（7）

［7］錢鳴高，石平五 .礦山壓力與巖層控制 ［M］.徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2003

Research on strengthening support of gob-side entry driving with small coal pillars in three-soft seam with high stress

Chen Quanjian，Yang Dong
（The 6th Mine of Pingdingshan Tian'an Coal Mining Co.Ltd.，Pingdingshan，Henan 467000，China）

In order to solve the problem of the floor bulge and sides convergence deformation in gob-side entry driving with small coal pillars in three-soft seam with high stress，according to the geological conditions of working face in gob-side entry driving，the 6th Mine of Pingdingshan Tian'an Coal Mining Co.Ltd.，follows the support concept of"strengthening the roof and sides，controlling the floor bulge"to reinforce the roof and small coal pillar supports and increase the floor support control，which result in good control of roadway sides convergence deformation and floor bulge.

small coal pillar，gob-side entry driving，to strengthen the roof and sides support，floor bulge control

TD353

A

陳泉建 （1969-），男，河南南陽人，工程師，現(xiàn)任平煤股份六礦副總工程師，從事開拓技術(shù)方面的管理與研究工作。

（責任編輯 張毅玲）